Thèse Étude Théorique et Expérimentale des Propriétés Optiques d'Un Metteur Quantique Unique aux Points Exceptionnels d'Une Nanostructure Photonique en Polymère H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces Direction de la thèse : Ngoc Diep LAI ORCID 000000021429683X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Nous alllons étudier théoriquement et expérimentalement le couplage d'un émetteur quantique unique (dot quantique) en des points exceptionnels de nanostructures photoniques multidimensionnelles (1D, 2D, et 3D) en matériau polymère et démontrer une source de photon unique optimisé (brillante, stable, etc.) à température ambiante. Une source idéale de photons uniques à la demande doit pouvoir émettre des photons uniques dans un mode donné du champ électromagnétique à un moment déterminé et selon une direction désirée. Le quantum dot colloidal, par exemple CdSe/CdS, est un cristal fluorescent remarquable avec un grand potentiel en tant que source de lumière aux propriétés quantiques. Par rapport aux autres émetteurs quantiques, quantum dot colloidal émets le plus de photons uniques, plus d'un million de photons par seconde, avec une excitation très modeste d'un microWatt. Ils sont démontrés parfaitement stables à température ambiante en utilisant une longue d'onde d'excitation localisée à une faible absorption. Couplé à des structures photoniques, ces quantum dots le rend très attractif pour le développement de technologies quantiques.
En effet, des efforts importants ont été consacrés à la maîtrise des propriétés d'émetteurs individuels, notamment en les intégrant dans les dispositifs photoniques. La première motivation est l'amélioration de l'efficacité quantique et de la collection des photons. De plus, le contrôle et la manipulation du faisceau lumineux aux propriétés quantiques sont également très souhaitables pour les applications. Jusqu'à présent, diverses structures photoniques à une ou deux dimensions (1D et 2D), telles que des micro-piliers, des micro-disques et des micro-anneaux, ont été fabriquées dans des matériaux à indice de réfraction élevé. Bien que ces matériaux puissent offrir une bonne bande interdite photonique et une bonne réflexion totale interne pour confiner la lumière, leur emploi est limité par la complexité et le coût des méthodes de fabrication. Une autre approche consiste à utiliser des polymères pour fabriquer les structures souhaitées contenant des émetteurs quantiques. Effet, à l'université Paris-Saclay, nous avons développé une technique robuste pour réaliser des structures photoniques submicrométriques en 1D, 2D, et 3D en matériaux polymères, en utilisant un système confocal simple et un faisceau laser continue à 532 nm à faible coût. Cette même technique a été démontrée comme une technique robuste et unique qui a permis d'intégrer avec succès un émetteur quantique individuel (un nanocristal semi-conducteur CdSe/CdS obtenu par synthèse colloïdale) dans des structures photoniques à base de polymères. Ces démonstrations nous motivent à exploiter des propriétés intéressantes du cristal photonique, tel que le point exceptionnel, pour optimiser les propriétés de la source de photonique et manipuler leurs propagations. Le succès de ce projet nous permettra de développer des dispositifs quantiques fonctionnant à température ambiante. Ce projet de doctorat a pour objectif d'étudier théoriquement et expérimentalement les propriétés optiques d'un émetteur quantique unique (SQE) incorporé de manière détermistique en des points exceptionnels de nanostructures photoniques unidimensionnelles et bidimensionnelles (1D et 2D). Un premier défi est de concevoir et calculer les propriétés optiques (spectre d'émission, comptage d'émission, durée de vie, polarisation de fluorescence et directivité d'émission) d'un SQE couplé à des nanostructures polymères 1D et 2D en son point exceptionnel. Puis, nous démontrerons le couplage d'un SQE à des nanostructures photoniques 1D et 2D en polymère en utilisant une méthode efficace, appelée écriture directe par laser à faible absorption (LOPA), afin d'optimiser les propriétés de la source de photons uniques. Afin de réaliser ce projet, différentes tâches doivent être menées à bien.

1. Tout d'abord, nous développerons diverses conceptions photoniques présentant des EPs avec des matériaux polymères. Le principal défi consiste à confiner efficacement la lumière quantique dans des structures photoniques ayant un faible indice de réfraction. Pour cette partie, nous collaborerons avec Hai Son NGUYEN de l'INL pour optimiser la simulation et déterminer les structures photoniques polymères optimales.
2. Deuxièmement, nous allons fabriquer expérimentalement des structures polymériques 1D, 2D, et 3D en intégrant des émetteurs uniques aux EPs des nanostructures photoniques. Cela sera fait en utilisant la technique de LOPA-DLW disponible. Le même système sera utilisé pour caractériser les propriétés optiques du même émetteur avant et après son intégration dans un EP. Ces points quantiques seront fournis par notre partenaire CINTRA.
3. Nous allons démontrer d'une SPS lumineuse et contrôlable à température ambiante. Un facteur de Purcell d'au moins 10 doit être prouvé pour permettre une réduction de la durée de vie de l'émission CQD à moins de 1 ns. Une largeur de raie spectrale bien inférieure à 16 nm et un degré élevé de polarisation (> 90 %) seront démontrés.

Pour toutes ces études, la technique originale de microscopie basée sur le LOPA joue un rôle central. Cette technique est très simple et peu coûteuse. Le dispositif sera optimisé par l'ajout d'un laser pulsé et d'un système d'autocorrélation pour la génération d'un seul émetteur.